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1、目 录序号3（一）问题的提出31国内外研究历史及现状42解决办法4一 围岩控制及锚杆支护理论5（一）围岩控制原理51下分层回采巷道围岩变形破坏特征52支护结构与围岩相互作用原理53下分层巷道围岩控制的基本途径5（二）锚杆支护理论61锚杆支护分析62现有支护理论73下分层巷道锚杆支护理论基础10二 巷道支护方案及参数确定11（一）某矿1521(3)工作面概况11（二）支护方案选择111下分层煤巷支护原则112支护方案的选择13（三）锚杆支护参数确定131锚杆支护参数设计132兜吊作用设计143锚固方式选择15（四）支护方案161顶板支护162巷帮支护163主要技术参数17（五）锚杆预紧力20（六
2、）施工工艺20（七）现场支护效果分析24三 结论25参考文献:25某矿下分层巷道支护浅析 摘要：某矿1521(3)工作面下分层巷道顶板采用锚杆+金属网+钢筋梯梁+锚索补强联合支护;两帮采用锚杆+金属网+W钢带支护。由于煤巷围岩松软，受采动影响后巷道变形量大，采用架棚支护不能主动支护顶板。根据对树脂锚杆锚固力及树脂锚杆同再生胶结顶板相互作用关系的分析，确定使用树脂锚杆。现场实验证明，树脂锚杆支护对下分层巷道的维护很有效。关键词：下分层再生胶结顶板；树脂锚杆；围岩变形规律；锚杆支护；下分层回采巷道；围岩稳定性序言（一）问题的提出煤炭是我国的主要能源，被誉为工业的粮食，在国民经济中发挥着举足轻重的作
3、用。过去，在开采缓倾斜厚煤层时采用分层开采，上分层回采完后，一般会等一段时间冒落充实，形成稳定的再生胶结顶板后才能进行下分层的回采。但在下分层巷道掘进施工中，在再生胶结顶板条件下煤巷围岩松软、破碎，受采动影响后巷道变形量大。采用架棚支护不能主动支护顶板，采动影响期间上覆老顶岩层结构在超前支承压力作用下旋转下沉，巷道顶板下沉量急剧增加，两帮水平应力增大，引起两帮水平位移较大。两帮较大水平位移引起顶板进一步下沉，巷道维护困难，架棚支护的下分层巷道维护效果非常差。由于此种技术原因，许多煤矿的下分层尚未进行回采，这严重影响了矿井正常生产和企业的经济发展，也制约了一些煤矿向高产高效发展的步伐。（二）国内
4、外研究历史及现状总的来看，国外支护技术与我国支护技术相比并不先进，为适应不同围岩的需要，我国的支护技术类型更多。美国、澳大利亚除早期在煤矿支护中应用过砌暄、锚喷、金属支架处，近几十年来一直以锚杆支架为主体。对于稳定、较稳定围岩重点采用普通锚杆支护;对中深部、深部围岩一般采用锚网、组合锚杆(网)、高强超长锚杆(网)等支护形式;对于极不稳定围岩主要有采用组合锚杆格架、锚索支护，对一些特殊地点如随掘随冒，淋水大又破碎的地方采用金属支架。西欧如英、法、德等国直到80年代仍以金属支架为主，对不同围岩采用不同的金属支架，但他们的金属支架是根据不同围岩进行设计，并有专门工厂统一加工。其加工质量好、性能可靠、
5、机械化安装、效果好，但在80年代后期，他们开始引进美国、澳大利亚的锚杆技术。目前，各类不同的锚杆、组合锚杆、锚杆桁架及锚索支护约占支护总量的90%，取得良好的经济效益和社会效益。俄罗斯、波兰等国至今仍以金属支架为主，对不同围岩采用不同的金属支架类型，对待中深部、深部软岩也是采用翻修的方法处理，金属支架用量约占支护总量的70%左右，其它部分为锚喷、木支架、砌暄等。但我们认为随着俄罗斯、波兰改革的发展，锚杆支护技术也将走进俄罗斯、波兰的煤矿。对于下分层中深部巷道的支护问题，过去大多采用料石砌暄、混凝土，钢筋混凝土，后来又采用矿用工字钢、槽钢、U型钢金属支架等也不能完全解决支护问题。（三）解决办法同
6、架棚支护相比，锚杆支护系统具有明显的优越性。锚杆支护属于主动支护，能有效支护再生胶结顶板，阻止再生胶结顶板破碎的能力增大；锚杆支护形成的顶板不但可保持自身稳定，而且能支撑上位破碎顶板。同时，经锚杆加固而成整体的顶板将载荷向巷道两帮深部转移，减小两帮浅部煤体的压力；两帮通过高强度锚杆加固。能控制破碎区、塑性区的发展，增加两帮对顶板的支撑作用，提高巷道稳定性。本文涉及的研究是针对某矿业集团某矿的，在对该矿分层开采的巷道锚杆支护研究的基础上，探索巷道围岩稳定性控制技术途径，在解决某矿巷道支护的工程实际问题的同时，也想起到抛砖引玉的作用，可以多学习一些其他煤矿的先进理念和技术。一 围岩控制及锚杆支护理
7、论（一）围岩控制原理1下分层回采巷道围岩变形破坏特征厚煤层分层开采时，上分层工作面开采时，受到工作面前方移动支承压力的作用，工作面前方顶板、煤层及底板中的应力集中程度逐渐增大，最终使煤柱的破坏宽度加大，下分层煤体及部分底板岩层发生破坏，并且以剪切破坏为主。上分层工作面采完后，由于采空区压力急剧降低，水平应力向下分层煤体及底板岩层中转移。由于煤体抗拉强度较小，脆性大，在煤柱下集中的水平应力的作用下，下分层部分煤体逐渐丧失完整性，发生类似板的压弯溃折破坏，且以拉裂破坏为主，这种拉裂破坏主要集中在下分层煤体上部。因此上分层工作面开采后，下分层煤体已经遭受了严重的破坏，其结果是使下分层回采巷道围岩强度
8、降低，使其两帮维护困难。2支护结构与围岩相互作用原理巷道支护的基本原理是支护结构与围岩共同承载，促使围岩形成承载结构并尽可能地提高围岩承载能力，减小围岩的载荷效应，使支护结构受力最小。支护结构与围岩相互作用的结果，使围岩向巷道空间的收敛变形受到约束，围岩在支护力的作用下有控制的变形。支护力的大小，可以调节围岩变形、控制围岩塑性松弛范围，改变围岩应力分布状态，最终将影响围岩对支护结构的作用力。巷道围岩稳定与支护结构受力受到支护结构特性、支护时间和围岩条件等因素影响。由于受掘进、采动的影响，巷道原岩应力的平衡状态被破坏，巷道能否保持稳定，取决于围岩的物理力学性质和原岩应力的大小。对于坚硬的围岩，巷
9、道周围的集中应力小于围岩强度极限，巷道不用支护也能保持稳定;对于软弱的围岩，要保持巷道稳定，必须在充分利用围岩这一自承载结构的基础上，必须确定合理的支护形式，优化支护参数，以保持巷道稳定。3下分层巷道围岩控制的基本途径巷道围岩应力、围岩强度和支护状况是决定巷道围岩稳定性的三个基本要素。下分层煤层在再生胶结顶板条件下煤巷围岩松软、破碎，受采动影响后巷道变形量大。因此，如何尽可能的提高围岩应力，改善围岩力学特性，采用整体锚固结构支护方式，是下分层巷道围岩控制的基本途径。1、降低围岩应力措施可通过钻孔、切槽、爆破等人为的方法，使巷道附近的高支承压力转移到深部未受削弱的岩体内，从而达到使巷道周边围岩处
10、于低压区的目的。2、改善围岩力学特性措施（1）通过注浆、喷层、锚固等措施改变围岩的构造特征，提高其完整性，达到提高围岩强度的目的。（2）通过选择合理的巷道断面形状，来改变围岩的受力状态。（3）采取适当的支护方式，给巷道围岩提供必要的围压等措施。（二）锚杆支护理论围岩是一种天然的承载结构，在进行巷道支护时应尽可能的发挥并利用围岩这一天然特性。从前面支护围岩相互作用原理分析来看，在对巷道采取提高围岩应力，改变围岩力学特性等措施后，采取适当的支护措施对下分层巷道进行控制是十分必要的。通过合理的支护方式，使支护结构和围岩之间形成一种共同的承载结构，以提高围岩的承载能力，使支护结构受力最小。而锚杆作支护
11、为一种有效的巷道支护方式，在对巷道围岩强度强化，提高围岩稳定性，增加安全度，节约支护和维修费用方面，与传统的棚架支护方式相比，具有十分明显的优势。1锚杆支护分析下分层巷道其围岩一般为破碎矸石，两帮是已破坏的煤体，围岩应力水平低，锚杆的直接作用是对其锚固作用范围内的围岩提供轴向和径向的约束，轴向约束来自锚杆的轴向力，通过托板、杆体与孔壁间的作用力对巷道围岩施加围压，将围岩由单向、双向受力状态转化为双向、三向受力状态，径向约束主要表现为锚杆杆体和锚固剂所提供的抗剪能力，它增加了节理面间的摩擦力，限制了节理面的相对错动，改善了围岩弱面的力学性质。锚杆支护能显著提高下分层巷道围岩的残余强度和承载能力，
12、锚杆与锚固作用范围内的围岩构成一种组合型承载体，从而提高了围岩的整体性和稳定性。在对巷道顶板的支护中，锚杆以发挥悬吊整合加固作用为主，在锚杆及时主动的作用下，将破碎了的块体重新整合起来，通过提高节理裂隙间的摩擦力来限制块体的转动和滑动，以提高围岩强度，从而使锚杆作用范围内的围岩形成具有一定厚度并且具有一定承载能力的锚固承载层。锚杆的及时主动支护，有效的控制了顶板失稳。当巷道受到掘进、回采等因素影响时，巷道围岩变形急剧增加，围岩松动破坏范围进一步扩大，由于围岩应力状态重新分布，施加于锚固层的荷载增加，锚固承载层的稳定与否将决定巷道的稳定，由于巷道两帮的变形破坏主要是由于煤体内部松动和煤体沿层界面
13、被挤出而引起的，所以，在对巷道两帮的支护中，以控制煤体松动和被挤出为目的。两帮采用锚杆支护时，由锚固头与托板一起对煤帮施加锚固力。锚杆对煤体的作用力可分解为沿煤体内部剪切滑移面的切向力和法向力。切向力减小了剪切面上的剪应力，法向力增大了剪切面上的正应力，因而有利于控制两帮的剪切破坏，也有利于控制两帮煤体的松动。另外，由于锚杆杆体穿过剪切滑移面，锚杆杆体本身的强度可直接提供抗剪阻力，有助于减小煤体沿剪切滑移面的位移。由上式可看出，帮锚杆支护阻力增大，煤体的垂直应力显著增加，塑性区宽度将明显减小。因此，锚杆支护阻力增大，有利于提高围岩的稳定性。帮锚杆的作用在于控制浅部煤体的变形破坏，并形成具有一定
14、承载能力的锚固层。在一定的巷道围岩条件下，帮锚杆安装越及时，锚固力和预紧力越大，则对保持两帮的稳定性越好。2现有支护理论目前，较成熟的锚杆支护理论主要可归纳为三大类：1、基于锚杆的悬吊作用而提出的悬吊理论、减跨理论等；2、基于锚杆的挤压、加固作用提出的组合梁理论、组合拱理论以及楔固理论等；3、综合锚杆的各种作用而提出的松动圈支护理论、锚固体强度强化理论、锚注理论、整体锚固结构理论等。不同锚固理论具有不同的适用条件，应用时应根据具体围岩条件进行合理选择。（1）悬吊理论悬吊理论认为，巷道开挖以后，由于应力状态的改变，围岩中一定区域内将可能发生岩石的松动和破裂现象、或由于被裂隙切割的岩块因失去足够约
15、束而成为关键块体即出现危岩，此时锚杆的作用就是利用其抗拉能力将松软岩层或危岩悬吊于稳定岩层之上。该理论适用于锚杆长度范围内赋存有稳定岩层或稳定岩层结构的条件。（2）减跨理论减跨理论应包括两方面的内容：1、基于松散介质的自然冒落拱理论提出的锚杆作用原理，其依据是冒落拱高度与跨度成正比关系，认为利用锚杆的悬吊作用可增加顶板岩层的支点，从而减小支点间的跨距，进而达到降低冒落拱高度、减小所需支护强度的目的；2、基于梁或板的理论提出的锚杆作用原理，即当巷道顶板为层状岩层时，其变形特性近似于梁或板的性质，此时锚杆的作用是缩短梁或板的跨距，以减小其中因横力而产生的弯矩及因弯矩产生的弯曲应力，尤其是弯曲拉应力
16、，从而提高顶板的稳定性。从以上两种情况可以看出，减跨理论中锚杆的作用机理以及适用条件等同于悬吊理论，即需要以稳定岩层或稳定岩层结构为依托。（3）组合梁理论组合梁理论适用于顶板由多层小厚度连续性岩层组成的巷道，其原理是通过锚杆的轴向作用力将顶板各分层夹紧，以增强各分层间的摩擦作用，并借助锚杆自身的横向承载能力提高顶板各分层间的抗剪切强度以及层间粘结程度，使各分层在弯矩作用下发生整体弯曲变形，呈现出组合梁的弯曲变形特征，从而提高顶板的抗弯刚度及强度。（4）挤压加固理论挤压加固理论适用性较强(几乎适用于所有围岩条件)。对于拱顶巷道，其原理是通过锚杆的轴向作用力在围岩中形成拱形压缩带，即通过锚杆的轴向
17、作用力将围岩中一定范围岩体的应力状态由单向(或双向)受压转变为三向受压，从而提高其环向抗压强度指标，使该压缩带既可承受其自身重量，又可承受一定的外部载荷。对于平顶巷道的层状连续性顶板而言，挤压加固理论等同于组合梁理论，此时，锚杆的挤压加固作用既可使层状顶板形成组合梁结构，提高其抗弯强度，又可改善岩层的应力状态，即提高围压，使岩层平行于层理方向的抗压强度得到提高。（5）楔固理论楔固理论主要是针对巷道围岩沿弱面滑移失稳现象而提出的围岩加固机理。当围岩中的部分岩体被弱面切割为块体时，其稳定性状况一定程度上将取决于对关键块体的维护情况，因为这种条件下围岩的失稳大多起因于关键块体的失稳。此时可将锚杆相交
18、于弱面布置，通过锚杆的抗拉、抗剪以及抗弯作用防止危岩发生滑动甚至脱离岩层而冒落，从而保持巷道围岩的整体稳定性。（6）最大水平应力理论最大水平应力理论认为，巷道围岩的水平应力有时会大于垂直应力，此时，巷道顶、底板的稳定性主要受水平应力的影响:水平应力具有明显的方向性，巷道轴向与最大水平应力之间的夹角不同，水平应力对顶、底板稳定性的影响程度也会有所差异：1、与最大水平应力方向平行的巷道受其影响最小，顶底板稳定性最好；2、与最大水平应力方向成锐角的巷道其顶底板变形破坏偏向巷道的某一帮；3、与最大水平应力垂直的巷道受其影响最大，顶底板稳定性最差。基于该理论，英国学者研究发现，在深部开采的高应力环境下，
19、最大水平应力的作用使顶底板岩层发生剪切破坏而出现错动和松动膨胀，造成围岩变形，随着变形的发展，顶板对支护的载荷迅速增长，并使按承受顶板岩层重量设计的支护系统发生破坏。在这种情况下，锚杆的作用应当是在顶板变形的早期阶段提高其稳定性，以控制顶板后期变形的严重程度。即锚杆的加固应在顶板岩层发生松动膨胀变形之前进行，而不是等顶板己经松动破坏、几乎丧失自承能力后才被动地承受围岩压力。同时，应充分重视垂直应力对两帮的影响:顶板锚固后，两帮垂直应力集中区更靠近巷帮，控制两帮破坏，防止顶板有效跨度超过顶板锚杆的有效支护范围，对围岩稳定极为重要。（7）锚杆桁架支护锚杆桁架支护结构其支护机理的属于挤压加固一类，锚
20、杆桁架对巷道围岩的加固作用主要表现在以下三个方面：1、改变顶板的应力状态是锚杆桁架的基本支护机理之一。即随着桁架预紧力的增加，顶板中部的拉应力将减小，甚至出现压应力，使顶板处于无拉应力状态，从而弥补岩体抗拉强度较小的弱点；2、促进顶板裂隙体梁的形成。当巷道开挖在层状岩体中且顶板极软和破碎时，顶板的破坏和变形可以用“岩梁”理论来分析，它的稳定性取决于裂隙体梁的成拱作用。析架的预紧力可以增强裂隙体间的挤压作用，从而增强其间的摩擦作用，并可约束岩层的下沉变形，甚至使顶板产生向上的位移，有利于裂隙体梁达到压力拱式的平衡状态；3、提高顶板裂隙体梁拱座处的抗滑动性能。根据静力平衡原理，当岩梁拱座处抗剪切能
21、力过低时，顶板将发生整体剪切滑动。桁架的预紧力引起的主动作用将与拱座处的水平推力叠加，增大了该危险部位岩石或不连续面的摩擦阻力，从而提高顶板裂隙体梁在拱座处的抗剪切强度。（8）外锚内注式支护外锚内注式的支护方法是针对软岩巷道围岩控制提出的，认为软岩巷道围岩的破裂范围及变形量都很大，传统的刚性支护难以适应，而单纯的锚杆支护或组合锚杆支护欲使破裂岩体处于挤紧状态从而形成平衡拱也难以实现。对于节理裂隙发育的软岩，采用注浆的方法可以改变其松散结构，提高粘结力和内摩擦角，提高围岩的整体性和强度系数，从而形成一个注浆加固圈，为锚杆提供可靠的着力基础，使其能够充分发挥悬吊、组合等基本功能，对注浆加固圈以下的
22、松碎岩石起到支护的作用。（9）整体锚固理论整体锚固理论认为，使顶、帮锚固体形成整体锚固结构，能克服普通锚固结构存在角部薄弱环节的缺陷，一定程度上可防止两帮沿顶、底发生错动而向巷道挤入，从而减小巷道变形，更大限度地改善锚固区围岩的受力状态，从而提高锚固结构的径向刚度，增强锚固结构对深部围岩的径向约束，使巷道围岩的稳定性得到改善。（10）松动圈支护理论松动圈支护理论是基于巷道围岩状态特征的研究而提出来的，对锚杆作用机理作了动态的解释，认为在矩形巷道围岩中，锚杆除了可以发挥悬吊作用以外，形成组合拱是其重要的支护作用，即破裂顶板在锚杆锚固力作用下可以形成具有一定强度和厚度的锚固层，随着顶板的下沉变形，
23、锚固层将达到新的平衡状态，形成压力拱式的平衡结构。3下分层巷道锚杆支护理论基础以上理论是基于一定的条件提出的，因此存在着一定的局限性。比如，悬吊和楔固理论，这两种理论作用的实现，就有赖于锚杆有效长度范围内坚固稳定岩层的存在:而组合梁理论则是以连续性层状顶板为条件。回采巷道锚杆支护技术及理论的建立以回采巷道围岩控制的基本理论为依据，锚杆支护技术能否成功应用，取决于对巷道围岩支护相互作用规律的正确认识。目前，对巷道围岩发生强度破坏之前的围岩一支护相互作用规律的认识已趋于统一并接近准确，但对围岩发生强度破坏后即进入松动变形阶段以后的支护一围岩相互作用规律的研究还显缺乏，所产生的认识也还比较零散、模糊
24、。回采巷道尤其是全煤巷道的围岩具有强度低、裂隙发育等内在不稳定因素，不具备锚杆组合梁的形成条件:在锚杆有效长度范围内往往没有稳固岩层，因此锚杆的悬吊作用难以充分发挥:受采煤工艺的影响全煤巷道多为矩形断面，传统的挤压拱理论不再适用。全煤巷道的矩形断面特点还造成围岩应力分布处于对保持围岩稳定性极为不利的状态。巷道周边易因出现拉应力状态而断裂，尖锐的角部易因产生高度的应力集中而破碎，造成围岩破裂程度及破裂范围增加，从而增加巷道维护的难度。锚固结构通常有两种结构方式，普通锚固结构和整体锚固结构，而整体锚固结构又有两种典型的结构方式，框形和拱形结构。对于下分层巷道围岩的控制，由于上分层已采，后再加以注浆
25、等生成的再生顶板，围岩一般比较破碎，因此，进行巷道围岩控制时，考虑利用锚杆或锚索的抗拉力将顶板松软或破碎岩层悬吊于上部稳定岩层中，运用挤压加固理论，利用锚杆的轴向作用力，将围岩中一定范围内岩体的应力状态由单向或双向受压转为三向受压，从而提高围岩的环向抗压强度。还可利用挤压加固作用，使松软或破碎岩层重新整合成连续的整体:最后依据锚固结构理论，确定合理的锚杆参数，在围岩中，将锚杆布置成整体锚固结构，达到改变围岩的力学特性，提高围岩屈服极限和强度极限，增强围岩承载能力，增加巷道稳定性的目的。锚固结构是一种特殊的支护体，它是由锚杆，护表构件以及锚固范围内的岩体构成。锚固结构的形成尤其是破碎围岩中锚固结
26、构的形成，有赖于各个方向适当挤压约束条件的存在。一般情况下，回采巷道围岩内部由于存在着较高的挤压应力场，故这种约束是自然满足的，对于围岩表面，则可通过护表构件来施加约束，如托盘，锚网，钢带等，甚至可以通过预应力施加主动约束。因此，锚固结构具有很强的变形适应性，即使是在围岩发生变形的过程当中仍不失对围岩变形的控制作用。二 巷道支护方案及参数确定（一）某矿1521(3)工作面概况某矿井田走向长14.6Km，倾斜宽4.0 Km，面积58.4 Km 。可采及局部可采煤层共l5层。矿井设计生产能力为300万吨年，分-530m和-800m两个水平。1521(3)工作面走向长1359m，倾斜宽130m，该面
27、于2002年9月17日开始回采，2003年4月19日收作。工作面内13-1与13-2间距0.51.0m， 13-2煤厚0.81.4m，基本跟132回采，采高3.13.4m。顶、底板以131煤层伪顶岩性一般为炭质页岩或泥岩，厚度0.20.8m，赋存不稳定。直接顶结构复杂，主要是泥岩、砂质泥岩及l3-2煤层构成的复合顶板。L3-l与l3-2煤层间距变化大，为0 29.Om。直接顶分层厚度小，强度指数一般约2540，抗压强度2050Mpa，抗拉强度l2.5Mpa。属I类不稳定顶板或类中等稳定顶板，给开采时的顶板管理带来一定难度。L3-l老顶砂岩有两种：一种直覆于l3-l煤层之上，另一种是与直接顶呈冲
28、刷接触。直覆老顶岩性主要为细中粒砂岩，厚度一般412m，抗压强度5966Mpa，抗拉强度约2Mpa。这类顶板整体稳定性好。与直接顶呈冲刷接触的老顶抗压强度一般稍低，约2749Mpa，老顶初次来压步距一般小于30m，老顶来压显现明显，属于级老顶。L3-l煤层直接底为泥岩、砂质泥岩及12煤。13-1煤顶底板岩性如图3.1所示。现要回采的工作面为1521(3)工作面的下分层，该工作面顶板为金属网假顶，再生顶板为直接顶泥岩、砂质泥岩及老顶砂岩经上分层回采后冒落并锈结而成。上分层联网质量和水文情况严重影响假顶状况。再生顶板的压实性和致密性对下分层开采时顶板管理愈发显得重要。一般在泥岩或砂质泥岩顶板区，上
29、分层回采后灌浆充分，压实时间在三年以上，再生顶板压实度较好，对下分层开采顶板管理较有利；反之砂岩老顶直覆区，灌浆效果差的区段，下分层掘进时顶板较难管理，易出现冒顶和抽顶现象。（二）支护方案选择1下分层煤巷支护原则原则：1、保证巷道支护后，能够保持稳定，不需进行返修，特殊情况可考虑局部加固；2、从支护方案及支护机理上，要着眼于锚杆支护，充分利用围岩自身承载能力，实现主动支护，保证支护结构的稳定；3、要充分考虑到极不稳定煤巷的特点，采用顶板和两帮支护；4、加强对水的治理，改善围岩物理力学性能，提高支护结构的承载能力；图2.1煤层柱状图5、支护方案在满足技术要求的前提下，确保安全生产，力争尽量降低成
30、本，加快施工速度，降低劳动强度，提高经济效益。2支护方案的选择 从目前各类巷道的支护形式及支护效果上来看，巷道的支护形式可以分为2个层次，第一个层次为各种金属型钢支架、砌暄等被动支护形式；第二个层次是以锚杆支护为主的改变巷道岩体力学性能的主动支护形式。由于该工作面在下分层再生顶板下，故采用第二层次的支护形式。（三）锚杆支护参数确定1锚杆支护参数设计1、锚杆长度锚杆长度通常按下式计算： （3-1）式中：锚杆长度，m；锚杆外露长度，其值主要取决于锚杆类型及锚固方式，一般0.15m，对于端锚锚杆，垫板厚度+螺母厚度+（0.030.05m），对于全长锚固锚杆，还要加上穹形球体的厚度；锚杆有效长度；锚杆
31、锚固段长度，一般为0.30.4m，顶板软弱时取0.4m。式(3-1)中锚杆外露长度（）与锚固段长度（）是很容易确定的，关键是确定锚杆有效长度（）。通常是按下述方法确定：a、当直接顶需要悬吊而它们的范围易于划定时，应大于或等于它们的厚度。B、当巷道围岩存在松动破碎带时，应大于巷道围岩松动破碎区高度，可按下式确定： （3-2）式中：CSIR地质力学分级岩体总评分；巷道跨度。2、锚杆杆体直径锚杆杆体直径根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定，即 （3-3）式中：锚杆杆体直径，mm；锚固力，由拉拔试验确定，kN； 杆体材料抗拉强度，Mpa。3、锚杆间、排距锚杆间、排距根据每根锚杆的悬吊荷载大小确定，即锚
32、杆悬吊荷载大小等于锚杆的锚固力。通常锚杆按等距排列，即a=Sc=S1。通常还需要考虑一个安全系数，则有： （3-4）式中：锚固力，由拉拔试验确定，kN；锚杆安全系数，一般取1.52；岩石容重，kN/m3。锚杆间、排距也可有下式确定： （3-5）式中：锚杆杆体直径，mm； 锚杆杆体材料抗拉强度，Mpa。2兜吊作用设计兜吊作用是指用两个角锚杆和拉杆(或钢带)将顶板荷载传递到两帮上方的顶板中，顶板荷载由两帮支撑。中间锚杆起着增大锚固层刚度、减小顶板跨度和变形的作用。因此，两个角锚杆要倾斜布置，并在煤帮内水平投影长度要大于一定值，中间锚杆一般均匀布置。1、角锚杆角锚杆与水平面夹角为，根据理论研究，当=
33、 6070时，角锚杆支护效果最佳，因此取=6070。 2、锚杆长度角锚杆长度，按在煤帮上的水平投影长度不小于煤帮破碎层厚度来设计： （3-6）式中：煤帮破碎层厚度，=0.50.7；角锚杆距邻帮的倾斜长度，一般取0.10.2m；岩层倾角； 锚杆外露长度，=0.10.15 m。中锚杆长度由下式计算： （3-7）式中：巷道跨度。如果用式(3-7)计算结果小于角锚杆长度，可将顶板锚杆规格统一，取为角锚杆长度。3、锚杆间排距根据现场经验取锚杆间距与排距相等，为角锚杆长度的1/31/2，即： （3-8）4、锚杆直径按两个角锚杆承担顶板荷载计算锚杆直径： （3-9）式中：荷载安全系数，取1.5-2.0；锚杆
34、许用应力；顶板荷载集度，为岩层容重，为荷载高度，(0.3-0.5)s。荷载高度与顶板结构、地应力场、巷道断而等因素有关，目前理论上准确计算还是很困难的，推荐一种经验计算方法：取为巷道跨度与荷载高度系数的乘积，荷载高度系数取值范围为0.3-0.5。具体计算时，荷载高度系数要根据顶板岩层结构类型并考虑埋深等因素取值。上述两种设计方法所采用的锚杆均应对锚杆施加一定的预应力，当顶板小稳定、易破碎时应增加金属网。3锚固方式选择锚杆按其在锚孔内的锚固长度可分为全长锚固和端头锚固两种锚固形式。在下分层再生顶板中采用全长锚固与端头锚固相比，除了能够提供较大的支护阻力外，还有以下技术优点：1、全长锚固的锚杆可大
35、大降低顶板的变形和位移。若顶板锚杆采用全长锚固，则可使顶板锚杆的全部长度范围内的围岩都受到约束，能有效地控制顶板，保证顶板岩层的整体稳定。而端头锚固虽然可以使顶板岩层得到一定约束，但是锚杆两端之间围岩存在的破裂得不到有效控制，难以保证其稳定。2、全长锚固时锚杆的受力状态好，提供给锚固范围内岩层的支护阻力大，因而可大大增加顶板的受力状况；而端头锚固时锚杆的土作阻力只作用在两端，锚杆托盘的受力较大，极易引起孔口破裂，再生顶板会被破坏，产生卸载，使锚杆的支护阻力进一步降低，因而失去或减小锚杆对再生顶板的控制能力，而全长锚固锚杆的轴力在锚杆中部最大，孔口较小，因而对孔附近顶板的稳定有利。3、全长锚固不
36、仅可使锚杆具有较高的锚固力，而且使锚杆具有一定的抗剪能力。由于全长锚固的锚杆，其锚孔内没有任何空隙，所以锚孔内锚固剂和锚杆杆体的存在可增强附近顶板的抗剪能力，从而提高顶板的稳定性。4、全长锚固的优点是全锚树脂锚杆与围岩能共同起两个作用，即刚性和抗剪作用，刚性作用主要是减少围岩变形，当杆体与围岩粘结成一个整体后，其围岩刚度也增大，刚性增大后就能阻止来自深部围岩的变形和移动，减小围岩向巷道内变形。抗剪性主要是由于全长锚固与围岩间没有空隙，杆体和锚固剂均具有较高的抗剪能力，因此也就提高了杆体周围受结构面切割的围岩抗剪能力，增强了围岩的整体性。两帮采用锚网支护，通过挂网防止两帮表面碎煤掉落。通过上述分
37、析可知，在再生顶板中全长锚固锚杆支护系统比端头锚固锚杆的优点突出，因此在支护设计中，顶板锚杆应采用全长锚固。使用高强度锚杆全长锚固可大大降低顶板的变形量，保证巷道安全可靠，从而提高巷道掘进速度，降低支护成本。（四） 支护方案1顶板支护顶板采用锚杆+钢筋梯梁+金属网+锚索补强的锚梁网索支护。钢筋梯梁沿巷道横向铺设，每根钢筋梯梁上安装3根锚杆和两根锚索。上肩窝锚杆按与顶板成70夹角锚入顶板，下肩窝锚杆按与顶板成80夹角锚入顶板，其余顶板锚杆穿过钢筋梯梁上的锚杆孔垂直锚入顶板。锚索按与顶板层面成一定角度锚入顶板：上帮锚索按与顶板层面成60倾角锚入顶板，下帮锚索按与顶板层面成85倾角锚入顶板。金属网紧
38、贴顶板铺设。沿巷道纵向，相邻两块金属网相互搭接，搭接宽度100mm。金属网采用4mm、40mm40mm 小网眼冷拔丝钢筋网。钢筋梯梁沿巷道横向安装，并以巷道中心为对称。安装锚索时，除按正常情况安装锚具外，还应在锚具与钢筋梯梁之间安装让压及防滑的木制斜垫板。2巷帮支护巷帮采用锚杆+W钢带+金属网支护。金属网采用4mm、40mm40mm 小网眼冷拔丝钢筋网。金属网紧贴煤帮从上至下铺设。沿巷道纵向，相邻两块金属网相互搭接，搭接宽度100mm。W钢带压紧金属网，上帮铺设5排W钢带，下帮铺设4排W钢带。W钢带均沿巷道纵向铺设。上、下相邻两排W钢带沿巷道纵向错开半个棚距布置，同一排相邻的两根W钢带相互搭接
39、。与铺设W钢带相对应，巷道上帮安装5根锚杆，巷道下帮安装4根锚杆。巷帮最上部（最下部）锚杆按仰（俯）20锚入巷帮，其余锚杆均穿过W钢带垂直锚入煤帮。3主要技术参数巷道断面形状：斜梯形；巷道断面：上宽4.4m，下宽4.8m，中高2.8m，断面积12.88m2；根据1521(3)工作面情况，制定以下参数：1. 顶板支护参数锚杆形式与规格：杆体为高强左旋螺纹钢筋，材质为 20MnSi，角锚杆与顶板垂直,锚杆规格相同，为20mm2500mm，杆尾螺纹为 M20，其抗拉力不小于16t。锚杆锚固方式：每个锚孔放 1 卷 K2335 树脂锚固剂和 2 卷 Z2360 树脂锚固剂，全长锚固。锚索形式与规格：低
40、松弛预应力钢绞线； 15.247500mm；规格为270k级别，15. 24X100000, 锚杆锚固方式：每个锚孔放 1 卷 K2360 树脂锚固剂和 1 卷 Z2380 树脂锚固剂。顶板钢筋梯梁：14#钢筋梯梁，2400mm。托板：钢碟形，厚800mm，20MnSi。顶板金属网：采用4mm、40mm40mm 小网眼冷拔丝钢筋网，每片网长 3.0m，宽 0.8m。全断面铺设，互相搭接不小于 100mm。顶板锚杆间排距：800800mm；锚索间排距：12001000mm。顶板锚索孔深：7000mm；锚杆孔深：2400mm。2、巷帮支护参数锚杆形式与规格：杆体为左旋螺纹钢筋，材质为 20MnSi
41、，20mm2500mm，杆尾螺纹为 M20。最上部（最下部）锚杆按仰（俯）20锚入巷帮，其余锚杆均穿过W钢带垂直锚入煤帮，锚杆间排距为 0.8m，上帮安装5根锚杆，巷道下帮安装4根锚杆。锚杆锚固方式：每个锚孔放 1 卷 Z2360 树脂锚固剂，锚固长度 800mm。W 钢带规格：BHW-250-2.75-2100，即钢带宽度 250mm，厚度 2.75mm，长度2100mm，锚杆孔距 800mm。巷帮金属网规格与顶板相同，每片网长变为 2.6m。巷帮托板与顶板相同。某矿下分层巷道布置支护方案参数、材料选择如表3.1，表3.2，表3.3所示，锚固剂参数如表3.4所示，巷道顶板锚杆基本支护形式和主
42、要参数如表3.5所示，巷道断面及支护参数如图3.2，3.3，3.4，3.5所示。表2.1顶板锚杆锚索支护参数表名称参数名称参数锚杆长度2.5m锚杆锚固力18t锚杆间距0.8m锚杆预紧力10t锚杆排距0.8m锚杆锚固长度2m锚杆根数6根锚索长度7.5m锚索锚固力20t锚索预紧力10t锚索锚固长度3.2m待添加的隐藏文字内容3表2.2帮锚杆支护参数表名称参数名称参数锚杆长度2.0m锚杆根数4锚杆间距0.8m锚杆锚固力8t锚杆排距0.8m锚杆预紧力5t锚固长度0.8m表2.3锚杆支护材料及规格名称材料规格顶锚杆锚杆高强左旋螺纹钢筋钢筋梯梁高强度钢筋14#，2400mm托板钢碟形，厚800mm，20M
43、nSi帮锚杆锚固剂树脂锚固剂1 卷 K2335，2 卷 Z2360锚杆左旋螺纹钢筋20mm2500mm，杆尾螺纹为 M20托板钢碟形，厚800mm，20MnSi锚固剂树脂锚固剂1 卷 Z2360锚索锚索低松弛预应力钢绞线270k级别，15. 24X100000锚固剂树脂锚固剂1 卷 K2360 ，1 卷 Z2380金属网顶板小网眼冷拔丝钢筋网4mm、40mm40mm长 3.0m，宽 0.8m两帮小网眼冷拔丝钢筋网4mm、40mm40mm长 2.6m，宽 0.8mW 钢带BHW-2502.752100宽度 250mm，厚度2.75mm，长度2100mm表2.4锚固剂参数项目指标抗压强度全锚40M
44、pa，端锚60 Mpa剪切强度35Mpa容重1.92.2g/cm3弹性模量1.610-4Mpa粘接强度对煤12 Mpa，螺纹钢16 Mpa，砂岩58 Mpa泊松比0.3表2.5 巷道顶板锚杆基本支护形式和主要参数巷道类别巷道围岩稳定状况基本支护形式主要支护参数非常稳定整体砂岩、石灰岩类岩层：不支护端锚：杆体直径：16mm杆体长度：1.61.8m设计锚固力6480KN其它岩层：单体锚杆稳定顶板较完整：单体锚杆端锚：杆体直径： 1618mm杆体长度：1.62.0m设计锚固力6480KN顶板较破碎：锚杆+网中等稳定顶板较完整：锚杆+钢筋梯梁端锚：杆体直径： 1618mm杆体长度：1.82.2m设计锚
45、固力6480KN顶板较破碎：锚杆+W形钢带(或钢筋梯梁)+网，或增加锚索不稳定锚杆+W形钢带(或钢筋梯梁)+网，或增加锚索全长锚固：杆体直径： 1822mm杆体长度：2.02.6m极不稳定顶板较完整：锚杆+金属可缩支架顶板较破碎：锚杆+金属可缩支架+网底鼓严重：锚杆加环形可缩支架全长锚固：杆体直径： 1822mm杆体长度：1.82.4m(注：巷帮锚杆支护形式和主要参数照顶板锚杆确定)（五） 锚杆预紧力锚杆预紧力是实现主动支护的关键，锚杆只有在合理预紧力下才能最有效地加固围岩，达到限制围岩变形与破坏的目的。对全长粘结式锚杆进行张拉，施加预紧力，效果不佳，预紧力仅能施加到锚杆的孔口段，而锚固杆体段未承受拉力。为了在锚杆全长施加预紧力，如图 3.3 所示，每根锚杆采用两种药卷锚固，钻孔深部采用一卷快凝药卷锚固，其它采用中凝药卷锚固。当锚杆旋转进入钻孔后，快速药卷在 1.52 分钟内迅速凝固，中速药卷在 34 分钟才能凝固。利用两种药卷凝固的时间差进行拉张，施加预紧力，同时实现了预紧力锚固和全长锚固。上述顶板锚杆方案设计就是通过采用两种药卷锚固来实现顶板预紧。（六） 施工工艺正确的巷道施工及支护工艺是支护质量的重要保证，因此在巷道施工与支护中应严格按施工规程进行，确保施工质量。图2.2